Kvalita v laboratorní a kontrolní praxi Část: Metrologická návaznost a kalibrace Vladimír Kocourek Praha, 2015
Historie metrologie Metrický systém pozdější jednotky SI: Míry a váhy začaly vznikat v 4.-3. tisíciletí př. n. l. v oblastech, kde se rozvíjelo zemědělství a s tím i spojené zavlažování (údolí Nilu, Mezopotámie). Jednotka délky - délka faraónova předloktí plus šířka dlaně loket Žulový etalon, dřevěné pracovní etalony, povinné kalibrace měsíčně, přesnost 0,05 %! Metr: stanoven Vyhláškou Francouzského Národního Shromáždění (7.duben1795) jako jedna miliontina čtvrtiny pozemského poledníku odhadnutá na základě měření mezi Dunkerque and Barcelonou. Náklady na měření v zemích EU (2010): 6 % HDP nebo 10-15 % výrobních nákladů
Historie metrologie 1 vídeňský loket (778 mm) = 1,3119 českého lokte 1 český loket (593 mm) = 0,76227 vídeňského lokte 1 moravský loket (789 mm) = 32 palců českých 1 anglický loket (1143 mm) = 45 palců (inch) F (Fahrenheit) = C * (9/5) + 32 ppb psi AU nebo OD? výška oblačnosti ve stopách (x 0,01) KT (knot): uzel = námořní míle/h LKPR 271220Z 05012KT 6000 BKN040 SCT060 14/05 Q1007 dohlednost v metrech
Metrologie: Metrologie technický obor zabývající se měřením soubor činností zabezpečujících jednotnost a přesnost měřidel a měření v různých oborech vědy, průmyslu, obchodu a služeb, při ochraně zdraví, prostředí aj.
Metrologie
Kategorizace měřidel 3 zákona o metrologii: Měřidla slouží k určení hodnoty měřené veličiny. Spolu s nezbytnými pomocnými měřicími zařízeními se člení na: A) etalony; B) pracovní měřidla stanovené ( stanovená měřidla ); C) pracovní měřidla nestanovená ( pracovní měřidla ); D )certifikované referenční materiály a ostatní referenční materiály, pokud jsou určeny k funkci etalonu nebo stanoveného nebo pracovního měřidla.
Proces měření Zkoumaný systém Měření... Výsledky Fyzikální měření Vzorek Kalibrované ZAŘÍZENÍ Výsledky Chemické měření (stanovení) Vzorek VALIDOVANÝ ANALYTICKÝ PROCES Výsledky
Definice návaznosti TRACEABILITY = (metrologická) NÁVAZNOST: Vlastnost výsledku nebo hodnoty standardu, kterou může být určen vztah k referencím, zpravidla národním nebo mezinárodním etalonům (standardům) přes nepřerušený řetězec porovnávání, jejichž nejistoty jsou uvedeny. ISO, 1993 Zákon 505/1990 Sb. o metrologii definuje pojem návaznost měřidel jako zařazení daných měřidel do nepřerušené posloupnosti přenosu hodnoty veličiny počínající etalonem nejvyšší metrologické kvality.
Analytický výsledek Koncentrace Definice návaznosti - vývoj NÁVAZNOST (TRACEABILITY, ISO, 1984, ČSN ISO 10012-1 ) vlastnost výsledku měření daná schopností prokázat vztah k příslušným etalonům, zpravidla národním nebo mezinárodním, pomocí nepřerušeného řetězce porovnání. Hmotnost analytu Hmotnost vzorku NÁVAZNOST (ISO, 1993) (ISO Guía 25) NÁVAZNOST REFERENČNÍ KILOGRAM Vlastnost výsledku měření nebo hodnoty standardu, kterým může být určen vztah k referencím, zpravidla národním nebo mezinárodním standardům, přes nepřerušený řetězec porovnání, jejichž nejistoty jsou uvedeny. M ±N CHEMICKÁ REFERENCE
Návaznost fyzikálního měření Státní etalon kilogramu primární laboratoř teplot ÚNMZPraha
Srovnání měření ve fyzice a v chemii ÚNMZ/EURAMET, Praha, 2009
K čemu je metrologická (měrová) návaznost? 1. Pravou (skutečnou) hodnotu - nemáme a proto jsme ji nahradili hodnotou referenční. 2. Referenční hodnotu odvozujeme z etalonu nebo referenčního materiálu nebo analytického standardu. 3. Mají-li být výsledky považovány za správné, musíme prokázat: Jaký je vztah používané reference k hodnotě pravé? Jaký je její vztah k referencím vyšší kvality? Je námi používaná reference všeobecně uznávaná?
Hierarchie návaznosti? KG MOL AMPERE SECOND HMOTNOST C-12 N AVOGADRO FARADAY ATOMOVÉ HMOTNOSTI PRIMÁRNÍ STANDARDY ULTRAČISTÉ STŘÍBRO PRACOVNÍ STANDARDY Pracovní reference
Návazností měření ke srovnatelnosti výsledků A. Metrologická návaznost; B. Porovnatelnost Výsledky LAB. 1 A B A B B Výsledky LAB. 2 A STANDARDY A ZÁKLADNÍ STANDARDY (jednotky S.I.) B B A Výsledky LAB. 3 A
Návazností měření ke srovnatelnosti výsledků VZOREK ANALYTICKÝ PROCES VÝSLEDKY V analytickém procesu je metrologická návaznost (A) zabezpečena: NÁVAZNOSTÍ STANDARDU STANOVOVANÉ LÁTKY (čisté i v matrici), KALIBRACÍ (zařízení + měřicí přístroje), VALIDACÍ CELÉHO ANALYTICKÉHO PROCESU. Vlastní proces a porovnatelnost (B.) se kontrolují: MEZILABORATORNÍM POROVNÁVÁNÍM (proficiency testing) STATISTICKOU REGULACÍ PROCESU
Návaznost měření k referencím nutno prokázat! Prokazování návaznosti analytických výsledků VZOREK CRM (matricový) VÝSLEDKY Porovnání oproti certifikované hodnotě t- test : t exp < t crit (P, n-1)
Míry, metody a přístroje pro referenční účely Primární metoda: Kvalitativně nejvyšší metrologická metoda, kterou, je-li uplatňována, lze plně popsat a pochopit a pro kterou lze poskytnout úplný rozbor nejistoty v jednotkách SI, a proto lze její výsledky přijmout bez odkazu na etalon měřené veličiny. Etalon, standard: Míra, měřicí přístroj, měřidlo, referenční materiál nebo měřicí systém, které jsou určeny k definování, realizování, uchovávání nebo reprodukování jednotky nebo jedné či více hodnot veličiny k použití pro referenční účely.
Chemické reference a jejich hierarchie Primární metody Certifikované referenční materiály Referenční analytické metody Mezilaboratorní studie Referenční přístroje / laboratoře Interní referenční materiály Spikované vzorky Alternativní techniky
PŘÍKLAD 1 : G R A V I M E T R IE standard kilogramu etalonová závaží (KALIBRACE) dissolution VZOREK Fe 3+ OH Fe(OH) 3 Fe O 2 3 vážení g Fe = (hmotnost produktu) 2 Fe Fe O 2 3 mol, C 12
PŘÍKLAD 2 : T I T R A ČNÍ METODY Etalon-kg etalonová závaží (KALIBRACE) TITRAČNÍ OBJEM (standardizace?) TITRAČNÍ ROZTOK KALIBRACE mol, C 12 VÁŽENÍ V A N A = V B N B f B PRIMÁRNÍ STANDARD (vzorek) VÁŽENÍ N A V B N Bf B V A
PŘÍKLAD 3 : INSTRUMENTÁLNÍ ANALÝZA VZOREK Etalon-kg etalonová závaží STANDARD KALIBRACE PŘÍSTROJE pro ujištění, že přístroj pracuje odpovídajícím způsobem a dosahuje potřebných parametrů. (KALIBRACE) KALIBROVANÝ PŘÍSTROJ ANALYTICKÁ KALIBRACE pro definování specifického vztahu mezi signálem (odezvou) přístroje a koncentrací analytu Conc. = analyte sample PŘÍPRAVA VZORKU Signal Conc. ANALYTICKÁ KALIBRACE y = a + bx y Conc. = b weight weight a
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, SRM) Referenční materiál (vybavený certifikátem): jedna nebo více vlastností jsou certifikovány, certifikační procedura stanoví jeho návaznost na vyšší reference vztahující se k dané jednotce, každá certifikovaná hodnota má doložený údaj o nejistotě v uvedené úrovni spolehlivosti.
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, SRM) http://www.erm-crm.org/html/homepage.htm
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, SRM) http://www.erm-crm.org/html/homepage.htm
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM)
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM)
CO JE KALIBRACE Soubor pracovních postupů, který zavádí, za specifických podmínek, vztah mezi hodnotami udávanými měřicím přístrojem nebo měřicím systémem a odpovídajícími známými hodnotami měřeného (referenčního) vzorku. Výsledek kalibrace je někdy vyjádřen jako kalibrační faktor nebo řada kalibračních faktorů ve formě kalibrační křivky. Y = Y 0 + Y anal + Y M Y = Y 0 + S(x)*X + Y M Y odezva (signál); Y anal signál analytu; Y 0 blank; Y M příspěvek matrice
Metrologické zabezpečení laboratoře EN ISO/IEC 17025: Pro veličiny nebo hodnoty zařízení musí být v případě, že mají tyto parametry významný vliv na výsledky zkoušek, zavedeny kalibrační programy. Kalibrační program definuje návaznost měřidel, tedy systém kalibrací, ověřování, případně i servisních zásahů u měřidel (zařízení). Návaznost měřidel je zajišťována prostřednictvím nepřerušeného řetězce kalibrací nebo porovnání až k mezinárodním etalonům nebo certifikovaným referenčním materiálům. Návaznost měřidel a měření je nutno realizovat prostřednictvím: pracovišť národní či evropské metrologické autority, (ČMI, BIPM ), akreditovaných kalibračních laboratoří, interních kalibrací.
Požadavky ČSN EN ISO/IEC 17025 Podle bodu 5.5.8 (kde je to uskutečnitelné), všechna měřidla vedená laboratoří a vyžadující kalibraci musí být označena stavem kalibrace datem, kdy: měřidlo bylo kalibrováno, končí platnost jeho kalibrace. 29
Požadavky ČSN EN ISO/IEC 17025 30 Vladimir.Kocourek@vscht.cz
Příklady kalibrací a kontrol měřidel Druh zařízení Požadavek Navrhovaná frekvence Přesné váhy (a) Servis (b) Úplná návaznost kalibrace (a) Každé dva roky (b) Každé dva roky Skleněné teploměry Úplná návaznost kalibrace Každých pět roků Vodní lázně Odměrné a laboratorní sklo Automatické dávkovače (pipety) Chladničky, mrazáky, lednice Měřidla času (minutky) Autoklávy (a) Sledování teploty (b) Vypuštění, vyčištění, desinfekce a opakované naplnění Úplná návaznost kalibrace (ověření) Úplná návaznost kalibrace (a) Vyčištění a desinfekce vnitřních prostorů (b) Sledování teploty (c) Úplná návaznost kalibrace teploměru v zařízení Kontrola proti národnímu časovému signálu (a) vizuální kontrola těsnění, vyčištění, vysušení komory (b) revize tlakové nádoby (a) Při každém použití (b) Ročně Při zahájení používání (povinnost výrobce) Ročně (a) Dle potřeby (např. čtvrtletně) (b) Denně/ při každém použití (c) Každých pět roků Každý rok (a) pravidelně nebo dle doporučení výrobce (b) ročně
Mezikalibrační kontroly EN ISO/IEC 17025: Jsou-li zapotřebí mezikalibrační kontroly, aby se zachovala důvěra ve stav kalibrace zařízení, musí se tyto kontroly provádět periodicky podle stanoveného postupu. Mezikalibrační kontroly zařízení je možno provádět za účelem potvrzení metrologických parametrů daného zařízení mezi jednotlivými kalibracemi. Mezikalibrační kontroly nemohou nahradit kalibrace, pro mezikalibrační kontroly není nezbytně nutné používat etalony.
Kontroly měřicích přístrojů / systémů
Analytický signál x šum Signál (odezva přístroje na analyt) závisí na: vlastnostech stanovované látky (analytu) parametrech měřicího přístroje experimentálních podmínkách přítomnosti dalších látek v analyzovaném vzorku Šum (odezva přístroje na blank ) je dána: pozaďovým šumem samotného detektoru a elektroniky spektrálním či chromatografickým pozadím systému přítomností interferujících látek ze slepého pokusu přítomností dalších látek z matrice analyzovaného vzorku (v oblasti analytu)
CO JE KALIBRACE L. Cuadros-Rodríguez et al.: J. Chromatogr. A 1158 (2007) 33 46 Přístroje jako chromatografy nebo spektrometry mají být kalibrovány s použitím látek o známé a odpovídající čistotě nebo certifikovanými referenčními materiály o známém složení.
KALIBRAČNÍ TECHNIKY V CHEMII L. Cuadros-Rodríguez et al.: J. Chromatogr. A 1158 (2007) 33 46
KALIBRAČNÍ TECHNIKY V CHEMII Příklad vztahu mezi různými typy kalibračních přímek: EC: externí kalibrace v rozpouštědle, MC: matricový standard AC: standardní přídavek
KALIBRACE V ANALYTICKÉ CHEMII CÍL KALIBRACE PROSTŘEDEK KALIBRAČNÍ STANDARD KALIBRACE MĚŘIDLA STANOVENÍ PROVOZNÍCH CHARAKTERISTIK MĚŘIDLA MĚŘIDLO + ETALON Poskytnutí důkazu, že přístroj Pracuje ve shodě se specifikacemi ZPRAVIDLA NEOBSAHUJE CÍLOVÝ ANALYT ANALYTICKÁ KALIBRACE ZAVEDENÍ VZTAHU MEZI ODEZVOU PŘÍSTROJE A MNOŽSTVÍM CÍLOVÉHO ANALYTU MĚŘIDLO + STANDARD Charakteristika závislosti mezi signálem a analytem jak pro kvalitativní tak i kvantitativní účely OBSAHUJE CÍLOVÝ ANALYT (kromě stanovení faktoru - např. u volumetrie) Fyzikální měření Chemické měření
KALIBRACE V ANALYTICKÉ CHEMII PŘÍKLAD UV-VIS ABSORPČNÍ SPEKTROSKOPIE KALIBRACE PŘÍSTROJE SPEKTROFOTOMETR OBECNĚ ETALON ABSORBANCE ETALON PRO VLNOVOU DÉLKU např. roztok dvojchromanu draselného např. holmiový filtr KALIBRACE METODY STANDARDY CÍLOVÉHO ANALYTU PRO URČENÍ VZTAHU ABSORBANCE/KONCENTRACE SPEKTROFOTOMETR V URČITÉ METODĚ např. roztoky Fe ++ pro sestrojení kalibrační křivky. CM založeno na tvorbě barevného chelátu mezi železem (II) a fenathrolinem
Stanovení výtěžnosti 1. Referenční materiály (certifikované hodnoty) - omezená dostupnost, nákladné 2. Matrice s přídavkem známého množství čisté látky (spike) - nenahrazuje "nativní" formy analytu (incurred residues) 3. Isotopové zřeďování MS, radiochemické metody,.. 4. Vnitřní standard - svými vlastnostmi modeluje chování analytu ale není totožné: pro analyty obtížně dostupné v čisté formě (metabolity, nová farmaka či pesticidy)
Zdroje nejistot při stanovení výtěžnosti 1. Opakovatelnost experimentu pro zjišťování výtěžnosti 2. Nejistota hodnot referenčního materiálu, resp. standardu 3. Nejistota přídavku čisté látky (dávkování "spiku") 4. "Spike" v matrici nemodeluje chování (vazby) nativního analytu 5. Rozdíly mezi různými matricemi rutinně analyzovanými a materiálem použitým pro stanovení výtěžnosti 6. Koncentrační rozdíly mezi vzorky rutinně analyzovanými a materiálem použitým pro stanovení výtěžnosti
Je stanovená výtěžnost validní? Validita (platnost): jen pro typy matric, pro které byla experimentálně zjištěna, jen v určitém koncentračním rozmezí, jen je-li analytický systém ve statisticky zvládnutém stavu, popř. jsou uplatňovány jiné nástroje QC, hodnoty výtěžnosti jsou vyjádřeny jako průměr většího počtu opakování
Korigovat výsledek na výtěžnost? argumenty pro: korekce nízkých výtěžností přibližuje výsledky pravé hodnotě, různé výtěžnosti vedou k neporovnatelnosti výsledků různých laboratoří - překážka vzájemného uznávání, moderní techniky umožňují stanovit výtěžnost s malou nejistotou argumenty proti: výtěžnosti zjištěné spikováním jsoučasto významně vyšší, výtěžnosti významně kolísají mezi jednotlivými matricemi a mění se s koncentrací, popř. s časem, nejistota stanovení korekčního faktoru významně zvyšuje celkovou nejistotu výsledku, maximální limity určené legislativou bývají založeny na souborech nekorigovaných dat (rezidua pesticidů)
Nejistoty korigovaných výsledků Výtěžnost R = x obs /c ref x cor = x / R Nejistota nekorigovaných výsledků: u x /x Nejistota korigovaných výsledků: u cor /x cor = (u x /x) 2 + (u R /R) 2 Je výtěžnost významně nižší než 1? Studentův test! R-1 /u R > t crit R-1 /u R t crit ano, zvážit možnost korekce ne, lépe nekorigovat Hodnoty výtěžnosti raději uvádět v analytickém protokolu vždy, a to společně s informací, zda byla použita pro korekci výsledků anebo ne
Provádět korekci výsledků na výtěžnost? R 100 % R S A A = > R S B B A B
Stopové koncentrace vliv na výtěžnost? R 100 % C 0 C
CÍLEM ANALYTICKÉ CHEMIE JE MINIMALIZOVAT NEJISTOTU INFORMACE O SLOŽENÍ OBJEKTU IDEÁLNÍ KVALITA ABSOLUTNÍ INFORMACE ABSOLUTNÍ SPRÁVNOST REFERENČNÍ KVALITA REÁLNÁ KVALITA Informace považovaná za správnou Analytická informace rutinně produkovaná Přesnost NEJISTOTA
JEN 5-10% POTŘEBY VHODNÝCH ANALYTICKÝCH STANDARDŮ PRO CM JE POKRYTO V POROVNÁNÍ S 80 90 % PRO FM! BEZ KVALITNÍCH REFERENCÍ NEMÁ ANALYTIKA SMYSL! Chemická metrologie nevystačí jen s kalibranty (standardy) jako pro FM jsou potřebné též MATRICOVÉ CRM! PROBLÉM: Pro velký rozsah CM je potřeba mimořádně velký počet CRM... Centra excelence Referenční laboratoře SPOLEHLIVÉ ALTERNATIVNÍCH POSTUPY PRO ZAJIŠTĚNÍ KVALITY VÝSLEDKŮ metoda standardního přídavku izotopové zřeďování Primární metody MEZILABORATORNÍ POROVNÁNÍ